spis treści - TRIBOLOGIA

4-2012
TRIBOLOGIA
89
Janusz KRAWCZYK *
ZMIANY W MIKROSTRUKTURZE STOPÓW
NA OSNOWIE ŻELAZA WYWOŁANE
KONTAKTEM TRIBOLOGICZNYM ZE STALĄ
NAGRZANĄ DO ZAKRESU WYSTĘPOWANIA
AUSTENITU
CHANGES IN THE MICROSTRUCTURE OF IRON BASED
ALLOYS DURING TRIBOLOGICAL CONTACT
WITH STEEL HEATED TO THE AUSTENITE RANGE
Słowa kluczowe:
zużycie, tribologia, biała warstwa, zmęczenie cieplne, węgliki
Key words:
wear, tribology, white etching layer, thermal fatigue, carbides
Streszczenie
Kształtowanie plastyczne stali na gorąco (w tym kucie) odbywa się najczęściej
w temperaturze występowania austenitu. Dlatego własności tribologiczne narzędzi stosowanych w przeróbce plastycznej na gorąco powinny odnosić się do
warunków, w których mają one kontakt z nagrzaną do zakresu austenitu stalą.
W pracy przedstawiono zjawiska występujące na powierzchni materiałów na*
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej,
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, tel 12 617-26-19.
90
TRIBOLOGIA
4-2012
rzędziowych w wyniku ww. kontaktu tribologicznego, które mają wpływ na
mikrostrukturę w ich warstwie wierzchniej. Określono wpływ mikrostruktury
materiałów narzędziowych na osnowie żelaza na: tworzenie i utrzymywanie się
na powierzchni tzw. białej warstwy oraz nalepień, występowanie pęknięć zmęczeniowo-cieplnych, podatność na odkształcenie plastyczne, wykruszanie materiału narzędzia (w tym węglików) jak i zmian w mikrostrukturze warstwy
wierzchniej wywołanych oddziaływaniem cieplnym.
WPROWADZENIE
Uzyskanie austenitu w mikrostrukturze stali pozwala na jej łatwiejsze kształtowanie. Wynika to z korzystnej struktury krystalicznej RSC (regularnej ściennie
centrowanej) charakterystycznej dla żelaza γ. Struktura krystaliczna RSC charakteryzuje się najgęstszym możliwym upakowaniem atomów w przestrzeni
i występują w niej zarówno płaszczyzny krystalograficzne o najgęstszym możliwym upakowaniu atomów, jak i kierunki najgęstszego możliwego upakowania
atomów. Te płaszczyzny oraz kierunki tworzą systemy łatwego poślizgu. Dlatego metale krystalizujące w strukturze krystalicznej RSC (np. Al, Cu) charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami plastycznymi. W przypadku stopów
żelaza (stali) strukturę krystaliczną typu RSC można uzyskać w temperaturze
otoczenia, stosując odpowiednie dodatki np. niklu i manganu. Stale takie nazywamy austenitycznymi. Niestety, w przypadku stali niestopowych oraz niskostopowych dla uzyskania struktury austenitycznej wymagane jest jej nagrzanie
(w zależności od składu chemicznego) do temperatury przekraczającej temperaturę AC1, tj. ok. 700ºC (najczęściej ok. 900ºC). Taki zabieg powoduje drastyczną zmianę zjawisk tribologicznych oraz czynników oddziałujących na narzędzia
używane w przeróbce plastycznej na gorąco (realizowanej najczęściej w zakresie występowania austenitu w mikrostrukturze materiału obrabianego plastycznie). Zagadnienie to jest istotne przy projektowaniu warunków np. kucia stali na
gorąco, jak i projektowania narzędzi dla takiego procesu. Specyfika zjawisk
zachodzących podczas kucia stali na gorąco została już opisana na wybranych
przykładach w pracach [L. 1–4].
W niniejszej pracy przedstawiono zjawiska, które związano z oddziaływaniem tribologicznym materiałów narzędziowych na osnowie żelaza ze stalą nagrzaną do zakresu występowania austenitu. Zdefiniowano wpływ parametrów
materiału na ww. zjawiska występujące w warstwie wierzchniej narzędzia, co
pozwoliło na optymalizację parametrów materiału stosowanego na narzędzia do
kucia na gorąco.
BIAŁA WARSTWA
Tworzenie białej warstwy jest zjawiskiem, którego występowanie na powierzchni narzędzia jest intensyfikowane nagrzaniem kształtowanego materiału
4-2012
TRIBOLOGIA
91
do zakresu temp. występowania austenitu. Pomimo dużej częstotliwości występowania tego zjawiska oraz licznych z nim związanych doniesień literaturowych [L. 5] nadal brak ogólnie uznanej koncepcji tworzenia się białej warstwy
[L. 6]. Na podstawie licznych obserwacji oraz badań powstała jednak [L. 5]
następująca propozycja zdefiniowania tego zjawiska: białą warstwą należałoby
nazywać trudno trawiącą się warstwę wierzchnią materiału, charakteryzującą
się wysoką (powyżej 1000 HV) twardością oraz dużą kruchością, utworzoną
w wyniku bardzo szybkiego nagrzania do wysokich (odpowiadających zakresowi istnienia austenitu) temperatur, któremu towarzyszy bardzo silne odkształcenie (zdefektowanie struktury) krystalicznej, a następnie natychmiastowe oziębienie, zwykle do temperatury otoczenia. Przykład tworzenia się białej warstwy
na narzędziu podczas kucia został przedstawiony w pracy [L. 1]. Morfologię
takiej białej warstwy przedstawiono na Rys. 1. Twardość w obszarze białej
warstwy wynosi ok. 900 μHV0,3, a średnica ziarna jest poniżej 1 μm.
a)
b)
Rys. 1. Biała warstwa powstała na stemplu ze stali X32CrMoV3-3 podczas kucia bufora
zderzaka kolejowego: a) morfologia białej warstwy [L. 1], b) mikrostruktura białej
warstwy w zaznaczonym miejscu
Fig. 1. The white layer on the surface of the X32CrMoV3-3 steel stamp after the bumper forgings production: a) white layer morphology [L. 1], b) white layer microstructure from
marked area
a)
b)
Rys. 2. Biała warstwa powstała na powierzchni roboczej walca hutniczego wykonanego ze
staliwa G200SiCrNi4-4: a) mikrostruktura w warstwie wierzchniej ze śladami pomiaru twardości, b) zależność twardości od odległości od powierzchni roboczej walca
Fig. 2. The white layer on the surface of the G200SiCrNi4-4 cast steel mill roll: a) microstructure
of the surface area of the mill roll with hardness indentation marks, b) changes of hardness with the distance from the working surface of the mill roll
TRIBOLOGIA
92
4-2012
Tworząca się na powierzchni narzędzi (w wyniku oddziaływania tribologicznego ze stalą nagrzaną do zakresu austenitycznego) biała warstwa może
uzyskiwać twardości znacznie wyższe niż 900 HV (Rys. 2).
Biała warstwa tworzy się szczególnie łatwo, w przypadku gdy mikrostruktura stopu jest jednorodna i składa się z jednego składnika strukturalnego, występowanie w niej węglików pierwszo- lub/i drugorzędowych oraz/lub wydzieleń grafitu utrudnia tworzenie białej warstwy oraz jej zachowanie na powierzchni narzędzia (Rys. 3).
a)
b)
c)
Rys. 3. Mikrostruktura warstwy wierzchniej narzędzi i jej wpływ na białą warstwę: a) walec hutniczy ze stali bainitycznej, b) rolka osprzętowa walcowni drobnej ze stali
X165CrV12 z węglikami pierwotnymi i wtórnymi w mikrostrukturze, c) walec hutniczy ze staliwa G200SiCrNi4-4 z wydzieleniami grafitu w mikrostrukturze
Fig. 3. The microstructure of the tools surface and its influence on the white layer formation:
a) bainitic steel mill roll, b) X165CrV12 steel roll with primary and secondary carbides,
c) G200SiCrNi4-4 cast steel mill roll with graphite precipitations
Zapobieganie tworzeniu się grubej białej warstwy jest istotne ze względu
na sprzyjanie przez nią powstawaniu pęknięć (Rys. 4).
a)
b)
c)
Rys. 4. Pęknięcia inicjowane przez białą warstwę: a) rolka osprzętowa walcowni drobnej ze
stali X165CrV12, b) walec hutniczy ze stali bainitycznej, c) rolka osprzętowa walcowni drobnej ze stali C55
Fig. 4. Cracks caused by the white layer: a) X165CrV12 steel roll, b) bainitic steel mill roll,
c) C55 steel roll
4-2012
TRIBOLOGIA
93
ZUŻYCIE ADHEZYJNE – NALEPIENIA
Zużycie adhezyjne jest szczególnie niepożądane w przypadku narzędzi. Stosowanie narzędzi, w których mikrostrukturze występuje jeden składnik strukturalny, np. perlit lub bainit, w przypadku gdy materiał obrabiany został nagrzany do
mikrostruktury austenitycznej powoduje, że w wyniku nagrzania warstwy
wierzchniej narzędzia wytworzy też się austenit i połączenie adhezyjne narzędzia i materiału obrabianego będzie następować bardzo łatwo (Rys. 5). Wprowadzenie do mikrostruktury narzędzia węglików drugo- lub/i pierwszorzędowych oraz wydzieleń grafitu będzie ograniczało w ww. warunkach tworzenie
się nalepień na jego powierzchni.
a)
b)
Rys. 5. Nalepienia na powierzchni walców hutniczych: a) walec hutniczy ze stali bainitycznej, b) walec hutniczy ze stali perlitycznej
Fig. 5. Sticking on the surface of mill rolls: a) bainitic steel mill roll, b) pearlitic steel mill roll
PĘKNIĘCIA ZMĘCZENIOWO-CIEPLNE
Kontakt tribologiczny ze stalą nagrzaną do zakresu występowania austenitu
niesie ze sobą niebezpieczeństwo powstawania pęknięć zmęczeniowo-cieplnych. Istotną rolę w tworzeniu się pęknięć zmęczeniowo-cieplnych ma
struktura pasmowa (zwłaszcza pasma wydzieleń węglików), jak i kształt powierzchni oraz położenie punktu występowania największych naprężeń stycznych (Rys. 6). Rozwój tych pęknięć może sprzyjać wykruszaniu się dużych
fragmentów materiału narzędzia (Rys. 7).
TRIBOLOGIA
94
a)
4-2012
b)
c)
d)
e)
Rys. 6. Pęknięcia zmęczeniowo-cieplne: a) w pasmowej mikrostrukturze stempla ze stali
X38CrMoV5-3, b) w pasmach cementytu ledeburytycznego w walcu hutniczym ze
staliwa G200CrNiMo4-3-3, c) wzdłuż siatki wydzieleń cementytu drugorzędowego
w walcu hutniczym ze staliwa G200NiSiCr8-4-4, d) wynikające z kształtu powierzchni stempla wykonanego ze stali X38CrMoV5-3 (zgład nietrawiony), e) wynikające z usytuowania największych naprężeń stycznych w walcu hutniczym ze staliwa G150SiCrNi4-4-3
Fig. 6. Fatigue-thermal cracks: a) in banded microstructure of X38CrMoV5-3 steel stamp, b) in
ledeburitic cementite of G200CrNiMo4-3-3 cast steel mill roll, c) through secondary
cementite precipitation net in G200NiSiCr8-4-4 cast steel mill roll, d) resulting from the
shape of the surface of the X38CrMoV5-3 steel stamp (not etched), e) resulting from the
location of the largest shearing stresses in the G150SiCrNi4-4-3 cast steel mill roll
4-2012
TRIBOLOGIA
95
a)
b)
c)
Rys. 7. Wykruszanie materiału narzędzi indukowane pęknięciami zmęczeniowo-cieplnymi:
a) walec hutniczy ze staliwa G200CrNiMo4-3-3, b) walec hutniczy ze staliwa
G200SiCrNi4-4, c) stempel wykonany ze stali X38CrMoV5-3
Fig. 7. Spalling of the material of tools induced by fatigue-thermal cracking: a) G200CrNiMo4-3-3 cast steel mill roll, b) G200SiCrNi4-4 cast steel mill roll, c) X38CrMoV5-3 steel
stamp
TRIBOLOGIA
96
a)
c)
4-2012
b)
d)
Rys. 8. Wpływ efektów dylatacyjnych na pęknięcia w warstwie wierzchniej staliwnych walców hutniczych: a) wpływ współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej na średnią długość pęknięcia odniesioną do długości przekroju i ilości odwalcowanej stali, b)
wpływ współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej na średnią odległość pomiędzy pęknięciami, c) wpływ wielkości skurczu związanego z przemianą austenityczną
na średnią długość pęknięcia odniesioną do długości przekroju i ilości odwalcowanej
stali, d) wpływ wielkości skurczu związanego z przemianą austenityczną na średnią
odległość pomiędzy pęknięciami
Fig. 8. The influence of expansion parameters on the cracks in the surface layer of cast steel mill
rolls: a) the influence of thermal expansion coefficient on the average length of the crack
referring to the length of section and amount of rolling steel, b) the influence of thermal
expansion coefficient on the average distance between cracks, c) the influence of the
shrinkage size connected with the eutectoidal transformation on the average length of the
crack referring to the length of section and amount of rolled steel, d) the influence of the
shrinkage size connected with the eutectoidal transformation on the average length of the
average distance between cracks
Pęknięcia zmęczeniowo-cieplne tworzą się w narzędziach łatwiej, gdy ich
materiał charakteryzuje się dużym współczynnikiem liniowej rozszerzalności
cieplnej oraz występuje w nich duży skurcz wywołany przemianą austenityczną
(Rys. 8).
4-2012
TRIBOLOGIA
97
PODSUMOWANIE
Optymalizacja doboru narzędzi, które będą miały podczas kucia kontakt ze stalą
nagrzaną w zakres występowania austenitu, powinna polegać na doborze materiału charakteryzującego się: występowaniem węglików drugo- i/lub pierwszorzędowych, brakiem pasmowości, niewystępowaniem ciągłej siatki węglików, małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (w zakresie występowania ferrytu)
oraz małym skurczem związanym z przemianą austenityczną.
Podziękowania
Autor dziękuje za konsultacje oraz pomoc w realizacji niniejszych badań: prof.
dr. hab. inż. Jerzemu Pacynie, dr. inż. Piotrowi Bale, dr. inż. Bogdanowi Pawłowskiemu, dr. inż. Tomaszowi Ślebodzie, mgr. inż. Marcinowi Szarańskiemu,
mgr. Wojciechowi Targoszowi, mgr. inż. Michałowi Mrozkowi, mgr. inż. Witoldowi Potońcowi, mgr. inż. Łukaszowi Kaczmarczykowi, mgr. inż. Piotrowi
Grysakowi, mgr. inż. Kazimierzowi Sikorze, mgr. inż. Dariuszowi Latale oraz
Stanisławowi Malikowi.
Badania realizowane w ramach Projektu „Opracowanie nowych zaawansowanych technologii kucia materiałów wysokotopliwych” Nr WND-POIG.01.03.0112-004/09 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Krawczyk J.: Mechanizm powstawania białej warstwy w kontekście zużycia narzędzi podczas kształtowania stalowych elementów konstrukcyjnych, Tribologia:
teoria i praktyka, 42, 4, 2011, 135–143.
Bednarek S., Krawczyk J., Bała P., Łukaszek-Sołek A., Śleboda T., Wojtaszek M.,
Chyła P.: Analiza oddziaływania materiału wsadowego na mechanizm zużycia
wkładek matrycowych formujących w procesie kształtowania elementów zderzaka
kolejowego, Tribologia: teoria i praktyka, 42, 4, 2011, 33–41.
Łukaszek-Sołek A., Krawczyk J., Bednarek S., Sińczak J., Śleboda T., Bała P.:
Charakterystyka zużycia stempla podczas wyciskania stalowych elementów, Tribologia: teoria i praktyka, 42, 4, 2011, 153–161.
Skubisz P., Krawczyk J., Sińczak J.: Ocena wpływu parametrów procesu kucia
stalowej piasty na zużycie trzpienia formującego, Problemy Eksploatacji, 4, 2011,
45–52.
Pacyna J., Krawczyk J.: Warunki powstawania i własności białej warstwy, Hutnik
– Wiadomości Hutnicze, 72, 11, 2005, 545–553.
Barbacki A., Jóźwiak K., Dynak K.: Biała warstwa – próba definicji, warunki powstawania, właściwości, Inżynieria Materiałowa 27, 5, 2006, 862–867.
98
TRIBOLOGIA
4-2012
Summary
Hot forming of steel (including forging) is most often performed
in the austenite region. Because of that, tribological properties of tools used
in hot processing should be related to the conditions of their contact with
steel heated up into the austenite region. This work is focused
on the phenomena occurring on the surface of tool materials during
tribological contact. The influence of the microstructure of iron based tools
on: white layer formation, white layer and sticking presence on the tools
surface, thermal and fatigue cracks, tool material formability, spalling
of tool materials (including spalling of carbides) as well as the changes
in the microstructure of the white layer induced by the temperature
gradients.